Молекулярная биология для биоинформатиков Академический университет Ефимова Ольга Алексеевна В презентации выборочно использованы слайды из курса «Биохимия» СПбГУ

Лекция 3 – Биохимия (макромолекулы) Биологические макромолекулы Белки Углеводы Липиды Нуклеиновые кислоты

Углеводы Содержат углерод, водород, кислород Главная функция – обеспечение питания клетки ОБЩАЯ ФОРМУЛА:

1.Моносахариды (простые сахара) 2.Олигосахариды (в т.ч.дисахариды) 3.Полисахариды: Гомополисахариды: гликоген, крахмал, целлюлоза, хитин Гетерополисахариды: гиалуроновая кислота, гепарин и др. 4. Гликоконьюгаты: гликопротеины и протеогликаны Углеводы

Моносахариды (простые сахара)

Cокращенные обозначения моносахаридов МОНОСАХАРИДСОКРАЩЕНИЕМОНОСАХАРИДСОКРАЩЕНИЕ Ксилоза Xyl N-ацетил- галактозамин GalNac Рибоза Rib N-ацетил-глюкозамин GlcNac Фукоза Fuc N-ацетилмурамовая кислота Mur2Ac Галактоза Gal N- ацетилнейраминовая кислота Neu5Ac Глюкоза Glc Галактозамин GalN Манноза Man Глюкозамин GlcN Рамноза Rha Глюкуроновая кислота GlcA Фруктоза Fru Мурамовая кислота Mur

Дисахариды Disaccharides or double sugars

Полисахариды Гомополисахариды Гетерополисахариды Линейные Разветвленные

Крахмал – основной запасной полисахарид растений гранулы крахмала Амилоза – линейный компонент крахмала

Гранулы гликогена – запасного полисахарида животных – в клетках печени

ЦЕЛЛЮЛОЗА – СТРУКТУРНЫЙ ПОЛИСАХАРИД Целлюлоза β 14 О-гликозидная связь

Структура целлюлозы Клеточная стенка водоросли Водородные связи в целлюлозе

ХИТИН ХИТОЗАН

гепарин Сульфоидуроновая кислота 2,6-дисульфо-N-ацетилглюкозамин Гетерополисахариды

Гликоконьюгаты гликопротеины – большую часть молекулы составляет белок протеогликаны – до 96% молекулы составляет полисахарид гликолипиды и липополисахариды – мембранные структуры

Липиды Содержат C, H и O, но кислорода меньше, чем в углеводах Примеры: –триглицериды –фосфолипиды –стероиды –эйкозаноиды

Триглицериды Состоят из жирных кислот и глицерола

Насыщенные жиры Ненасыщенные жиры Мононенасыще нные Полиненасыщенные Омега-9Омега-3Омега-6 Сливочное масло и молочные жиры Оливковое масло Рыба и рыбий жир Подсолнечное масло Мясо, сало, животные жиры Арахисовое масло Льняное масло Кукурузное масло Пальмовое масло АвокадоРапсовое маслоОрехи и семечки Кокосовое масло Маслины Масло грецкого ореха Хлопковое масло Масло какаоМясо птицы Масло зародышей пшеницы Соевое масло Насыщенные и ненасыщенные жиры

Другие липиды Фосфолипиды – модифицированные триглицериды с двумя жирными и фосфатной группой

Другие липиды Стероиды – плоские молекулы с 4-мя углеводородными кольцами Эйкозаноиды – 20-ти углеродные жирные кислоты, входят в состав мембран клетки

Липиды в теле человека триглицериды – в тканях и вокруг органов фосфолипиды – главный компонент клеточных мембран стероиды – холестерол, витамин D, половые гормоны, гормоны надпочечников

Жирорастворимые витамины - A, E и K Липопротеины – транспорт жирных кислот и холестерола по кровяному руслу Эйкозаноиды – простогландины, лейкотриены, тромбоксаны Липиды в теле человека

Арахидоновая кислота ПРОСТАГЛАНДИНЫ: Широкий спектр воздействий, так как регулируют синтез сAMP в разных тканях, например: - Стимулируют сокращение гладкой мускулатуры матки; - Влияют на суточные ритмы; - Изменяют чувствительность тканей к гормонам (адреналину и глюкагону) -Вызывают повышение температуры, участвуют в развити реакции воспаления и боли Prostaglandin E 1 (PGE 1 ) Простагландин Е 1 Простагландин F 1α

Арахидоновая кислота ТРОМБОКСАНЫ - Сокращают кровотечение и способствуют образованию кровяного сгустка Арахидоновая кислота Тромбоксан А 2

Арахидоновая кислота ЛЕЙКОТРИЕНЫ -Индуцируют сокращение мускулатуры дыхательных путей; -Гиперпродукция лейкотриенов приводит к астматическому приступу Лейкотриен А 4

АДИПОЦИТЫ

Функции 1. Запасание липидов – энергетическое депо: а) накапливаются в больших количествах; б) на ед. веса запасается в 2 раза больше энергии, чем в углеводах в) негидратированы (при запасании углеводов – 2г воды на 1 г гикогена) 2. Теплоизоляция 3. Выделение дополнительного тепла

Аминокислоты

Некоторые характеристики аминокислот Название3-букв.код1-букв.кодMWПолярность при рН АланинALAA71H (гидрофобная) АргининARGR157C+ (+заряженная) АспарагинASNN114P (полярная) Аспарагиновая к-таASPD114C- ЦистеинCYSC103P Глутаминовая к-таGLUE128C- ГлутаминGLNQ128P ГлицинGLYG57N ГистидинHISH137P,C+ ИзолейцинILEI113H ЛейцинLEUL113H ЛизинLYSK129C+ МетионинMETM131H ФенилаланинPHEF147H ПролинPROP97H СеринSERS87P ТреонинTHRT101P ТриптофанTRPW186P ТирозинTYRY163P ВалинVALV99H

D-глицеральдегид L-глицеральдегид

Хиральность

D- и L-аминокислоты Аланин

Белки Макромолекулы, состоящие из комбинаций 20 типов аминокислот, связанных пептидными связями Amino acid Dehydration synthesis Hydrolysis Dipeptide Peptide bond +N H H C R H O N H H C R CC H O H2OH2O H2OH2O N H H C R C H O N H C R C H O OH

1952 – 1956 Фредерик Сэнджер определил аминокислотную последовательность пептидного гормона инсулина Нобелевская премия по химии 1958

Первичная структура инсулина быка Дисульфидные мостики образованы остатками цистеина А-цепь В-цепь

Уровни структурной организации белков Первичный – последовательность АК Вторичный – альфа-спираль или бета- слой Третичный – скручивание вторичной структуры в глобулу Четвертичный – соединение несколький полипептидных цепей в особую пространственную структуру

ИЕРАРХИЯ БЕЛКОВОЙ СТРУКТУРЫ

Весной 1951 г. Linus Pauling, Robert Corey, and Herman Branson в серии из 8 статей, опубликованных в Proceedings of the National Academy of SciencesProceedings of the National Academy of Sciences USA, предложили модель структуры α-спирали и β-слоя. The Structure of Proteins: Two Hydrogen-Bonded Helical Configurations of the Polypeptide Chain

n n -4 n -3 n -2 n -1 Вторичная структура белка стабилизирована водородными связями a - спираль

– складчатый слой N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O N H C O C H C C N O

ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА – УКЛАДКА ВТОРИЧНЫХ СТРУКТУР ОДНОЙ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ В ГЛОБУЛУ (ПОЛНАЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ)

Типы взаимодействий, стабилизирующие третичную структуру Гидрофобные взаимодействия между неполярными радикалами Водородные связи между полярными радикалами Электростатические взаимодействия между противоположно заряженными радикалами

Hydrophobic interaction Примеры нековалентных взаимодействий между аминокислотными остатками в третичной структуре

Фибриллярные и глобулярные белки Фибриллярные белки –Протяженные белковые цепи –Примеры: кератин, эластин, коллаген ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ ИМЕЮТ ТОЛЬКО ВТОРИЧНУЮ СТРУКТУРУ

Глобулярные белки –Компактные сферические белки, имеющие третичную и четвертичную структуру –Примеры: антитела, гормоны, ферменты Фибриллярные и глобулярные белки

Денатурация белка Обратимая (не сильное изменение pH, температуры)

Денатурация белка Необратимая (сильное изменение pH, температуры)

Нуклеиновые кислоты 1869 Фридрих Мишер выделил из клеоток гноя (лейкоцитов) и спермы лосося вещество, названное им нуклеином Friedrich Miescher ( )

Nucleic Acids Composed of carbon, oxygen, hydrogen, nitrogen, and phosphorus Their structural unit, the nucleotide, is composed of N-containing base, a pentose sugar, and a phosphate group Five nitrogen bases contribute to nucleotide structure – adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T), and uracil (U) Two major classes – DNA and RNA

Азотистые основания пурины N N N N Аденин Гуанин A G N N N N H NH 2 N N N N H O H

N N Тимин Цитозин NH N O T O H H3CH3C C N N NH 2 O H Азотистые основания пиримидины

N N NH N O U O H Азотистые основания урацил

Углеводные компоненты нуклеотидов O HOCH 2 OH O HOCH 2 OH H Рибоза Дезоксирибоза

Нуклеозид Нуклеотид (монофосфат)

основаниенуклеозиднуклеотидНК АденинАденозин (А) Адениловая кислота (АMP) ДНК, РНК ГуанинГуанозин (G) Гуаниловая кислота (GMP) ДНК, РНК ЦитозинЦитидин (С) Цитидиловая кислота (CMP) ДНК, РНК ТиминДезокситимидин (Т) Дезокситимидиловая кислота (TMP) ДНК УрацилУридин (U) Уридиловая кислота (UMP) РНК

Deoxyribonucleic Acid (DNA) Double-stranded helical molecule found in the nucleus of the cell Replicates itself before the cell divides, ensuring genetic continuity Provides instructions for protein synthesis

Нуклеотид Сахаро- Фосфатный «остов» Полимерная структура ДНК

Вторичная структура ДНК Предпосылки : Известна химическая структура ДНК Правила Чаргаффа: - препараты ДНК из разных тканей одного вида имеют одинаковый нуклеотидный состав; - нуклеотидный состав ДНК у разных видов различен и не меняется ни с возрастом, ни с изменениями условий среды; - в любой ДНК соотношение пуриновых нуклеотидов к пиримидиновым близко к единице: A+G = T+C

Рентгено-структурный анализ волокон ДНК

Розалинд Франклин

Нобелевская премия 1962 г. Francis Harry Compton Crick James Dewey Watson Maurice Hugh Frederick Wilkins 1/3 of the prize United KingdomUSA United Kingdom and New Zealand MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, United Kingdom Harvard University Cambridge, MA, USA London University London, United Kingdom

Постулаты Уотсона-Крика ДНК представляет собой правозакрученную двойную спираль Гидрофильный сахарофосфатный остов находится снаружи двойной спирали, контактируя с водным окружением Фуранозное кольцо дезоксирибозы находится в С-2-эндо-конформации Пуриновые и пиримидиновые основания обеих цепей расположены стопкой внутри двойной спирали близко друг к другу и почти перпендикулярно оси спирали На поверхности спирали можно выделить большую и малую бороздки Каждое основание одной цепи образует пару с основанием другой путем образования водородных связей; А-Т – 2 связи, G-C – 3 связи. Образование других пар дестабилизирует двойную спираль Цепи ДНК в двойной спирали антипараллельны

Структура ДНК Figure 2.22b

Ribonucleic Acid (RNA) Single-stranded molecule found in both the nucleus and the cytoplasm of a cell Uses the nitrogenous base uracil instead of thymine Three varieties of RNA: messenger RNA, transfer RNA, and ribosomal RNA

Полимерная структура РНК Уридинмонофосфат

Виды РНК прокариот Матричные РНК (мРНК) – короткоживущие посредники в процессе переноса информации от ДНК к белку Рибосомные РНК (рРНК) – компонент рибосом и рибонуклеопротеиновых частиц Транспортные РНК (тРНК) – доставка аминокислот к рибосомам

Виды РНК ЭУКАРИОТ Гетероядерные РНК– предшественники мРНК (mRNA) Рибосомные РНК (rRNA) –компонент рибосом Транспортные (tRNA) – переносят АК к месту синтеза пептидной цепи Малые ядерные (snRNA) – компоненты сплайсосомы и др.функции Малые ядрышковые РНК (snoRNA) – процессинг рРНК и тРНК МикроРНК (miRNA) – регуляторная роль Малые интерферирующие РНК (siRNA),регуляторная роль

Аденозинтрифосфат (АТФ) Source of immediately usable energy for the cell Adenine- containing RNA nucleotide with three phosphate groups